Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние изученности проблемы. Методические основы, цели и задачи.исследований
1.1. Природно-климатические особенности региона Сибири и Севера страны. Специфика строения и особенности разрушения массива мерзлых пород 12
1.2. Обзор исследований по оценке состояния температури ого режима.: скважины при бурении мерзлых пород 25:
1.3. Обзор и анализ исследований по динамике работы шарошечных органов долот 36
1.4. Анализ разработок и исследований по созданию специальных исполнительных органов для бурения скважин в условиях миоголетнемерздых перемежающихся но крепости пород 44
1.4.1. Исследования по транспортированию буровой мелочи из скважины воздухом 44
1.4.2..Исследования по созданию специальных охшждающих устройств: 49
І.4.3: Исследования по созданию режущих долот для буреная с продувкой 53
1.4.4. Исследования по созданию комбинированных долот 59
1.5. Цели и задачи исследований; 67
Глава 2. Методика проведения исследований и вьшолнения экспериментов 69'
2.1. Методика и техника проведения лабораторных исследований 69
2.2. Планирование эксперимента. Обработка данных и оценка их достоверности: 76
2.3. Техника и методика проведения производственных испытаний и исследований- 90-
Выводы 98
Глава 3. Исследование характера взаимодействия режущего бурового инструм ента с породой и обоснование его параметров 100
3.1. Факторы, влияющие, на эффективность работы режущего долота. 100
3.2. Гранулометрический состав буровой мелочи при работе режущих долот. 107
3.3. Оценка энергоемкости процесса разрушения породы по гранулометрическому составу буровой мелочи 112
3.4. Принципы выбора параметров режущего бурового инструмента 119
3.4.1. Геометрические параметры реоісущих долот со 'сменными резцами 119
3.4:2. Выбор типа и параметров резцов для режущих буровых долот 127
3.4.3- Принципы выбора параметров сетки резания бурового долота 134
3.4.4. Принципы выбора параметров режущего бурового долота 141
3:5. Обоснование параметров и разработка конструкций режущих долот 146
Выводы 165
Глава 4. Теоретические основы разработки комбинированного режуще-шарошечного инструмента для эффективного разрушения перемежающегося по крепости массива пород 168
4.1. Предпосылки к созданию комбинированного инструмента для бурения взрывных скважин в изменяющихся по крепости породах 168
4.2. Принципы комбинированного воздействия на забой режу ще-шарошечного долота 171
4.3. Лабораторные исследования работы комбинированного бурового инструмента 178
4.4. Математическая модель динамической системы комбинированного долота:
с принудительной разгрузкой режущего органа 212
4.5. Разработка конструкций комбинированного инструмента режуще- шарошечного типа 222:
Выводы: 236
5. Повышение работоспособности и стойкости бурового инструмента 239
5.1. Анализ отработки шарошечных долот и пути повышения их стойкости: 239
5.2. Требования к конструкции бурового инструмента и возможности повышения его стойкости 243
5.3. Анализ систем смазки шарошечных опор долот 253
5.4. Повышение работоспособности шарошечного и комбинированного бурового инструмента 264 выводы: 276
Глава 6. Теилообменные условия в призабойной зоне скважины и методы нормализации процесса бурения мерзлых пород 277
6.1. Модель теплообменных процессов в призабойной зоне скважины 277
6.2. Температурный режим бурового инструмента и условия его нормализации 281
6.3. Температурный режим буровой мелочи и условия его нормализации 288
6.4. Лабораторные исследования теплообменных процессов в призабойной зоне 296
6.5. Разработка конструкций и выбор параметров охлаждающих устройств. для нормализации процесса бурения мерзлых пород 300
Выводы 311
Глава 7. Испытания и промышленная реализация результатов выполненных исследований 313
7.1. Опыт работы режущих долот на угольных разрезах 313
7.2. Результаты испытаний режущих долот на россыпных месторождениях Якутии и Северо-Востока страны 316
7.3. Промышленная эксплуатация режущих долот на карьерах АК «АЛРОСА» 320
7.4. Исследование работы комбинированных долот в условиях россыпных месторождений Севера и Северо-Востока страны 329
7.5. Исследования работы комбинированных долот в условиях алмазорудных карьеров Якутии 332
7.6. Опытная эксплуатация устройств, повышающих стойкость опор шарошечного инструмента 348
7.7. Промышленные испытания устройств, обеспечивающих нормализацию температурного режима в забое скважины 365
Выводы 369
Заключение 371
Литература 374
- Исследования по транспортированию буровой мелочи из скважины воздухом
- Оценка энергоемкости процесса разрушения породы по гранулометрическому составу буровой мелочи
- Принципы комбинированного воздействия на забой режу ще-шарошечного долота
- Лабораторные исследования теплообменных процессов в призабойной зоне
Введение к работе
Горнодобывающая промышленность является базой развития основных отраслей экономики страны, главным поставщиком сырьевых ресурсов. Горные предприятия в основном расположены в регионах Сибири и Севера страны, в зоне холодного климата с продолжительным зимним периодом и отрицательным уровнем среднегодовой температуры воздуха. Преобладающее развитие получил открытый способ разработки. Это существенно осложняет разработку месторождений полезных ископаемых, технология добычи которых связана с необходимостью проведения большого объема буровзрывных работ, на которые приходится до 30 % общих трудовых затрат. Все это обусловливает особую значимость вопросов создания и совершенствования техники и технологии ведения работ по подготовке взрывных скважин.
Процесс бурения скважин состоит из непосредственного разрушения породы и выноса продуктов разрушения из забоя. Эффективность разрушения зависит от конструкции долота, а очистка скважины — от работоспособности системы транспортирования буровой мелочи. При бурении мерзлых массивов сложного строения возникают физико-механические проблемы как с разрушением забоя неоднородных по крепости пород буровым инструментом, так и с выдачей продуктов разрушения, которые, вследствие оттайки, налипают на стенки скважины и исполнительный орган, дестабилизируя процесс бурения.
Все тго обусловливает постановку актуальной научно-технической проблемы разработки экспериментально-теоретических основ создания специальных исполнительных органов для бурения мерзлых сложноструктур-ных массивов пород. Для решения этой проблемы необходимо комплексное исследование рабочих процессов разрушения неоднородных мерзлых массивов пород и способов очистки скважины от продуктов разрушения с учетом побочных, дополнительно влияющих факторов воздействия внешней среды. Эффективность процесса бурения в условиях мерзлых и неоднородных по составу пород может быть обеспечена разработкой и созданием специальных рабочих органов буровых станков с учетом условий и специфики их эксплуатации. Реп гению этой проблемы и посвящена настоящая диссертационная работа.
Цель работы заключается в создании высокопроизводительных взрывных исполнительных органов буровых станков для интенсификации подготовки скважин и условиях мерзлых сложноструктурных породных массивов на предприятиях, работающих в регионах холодного климата.
Основная идея работы состоит в научном обосновании принципа разрушения мерзлых сложноструктурных пород с поддержанием постоянного температурного баланса в призабойном и затрубном пространстве, разработке и создании специальных исполнительных органов буровых станков и реализацией технических решений на предприятиях Севера.
Основные научные положения диссертации, выносимые на защиту:
Разрушение мерзлых пород буровым инструментом сопровождается образованием новых поверхностей продуктов разрушения, преодолением сил.трения и изменением температурного баланса в призабойной зоне и затрубном пространстве. Тепло, образующееся в результате обработки забоя, поглощается буровой мелочью и инструментом, нарушая условия очистки скважины, дестабилизируя процесс бурения.
Параметрический ряд буровых долот режущего типа, охватывающий диаметр скважин от 160 до 280 мм, разработанный с учетом создания оптимальных условий разрушения породы на забое в соответствии с требованиями технологического процесса, обеспечивает снижение энергоемкости и увеличение скорости бурения в мерзлых массивах пород. Работа режущих долот по принципу крупного скола при бурении кимберлитов повышает сохранность кристаллов алмазов.
3. Разрушение забоя комбинированным режуще-шарошечным инст
рументом сопровождается высокочастотными колебаниями долота; при
этом формирование динамических нагрузок на режущем и шарошечном ор
ганах определяется величиной усилия подачи на забой и частотой вращения
долота, которую целесообразно поддерживать в пределах 2,5 с" при вели
чине осевого усилия до 100 кН. В зависимости от условий бурения долото
автоматически выбирает рациональный способ воздействия на забой поро-
доразрушаюших органов: режущим способом — при/< 6; комбинированным
—/— 6 12 по шкале проф. М.М. Протодьяконова. Разработанная математи
ческая модель процесса и результаты экспериментальных исследований с
достаточной точностью подтверждают эти закономерности.
Повышение стойкости шарошечных органов бурового инструмента должно обеспечиваться автоматической системой смазки опор долот. Принцип подачи смазки может быть решен как за счет использования специальных лубрикаторов с консистентной смазкой, так и применением системы смазки посредством воздуха, подаваемого на продувку скважины. Использование смазки, обеспечивает, наряду с двукратным, повышением: стойкости долот, увеличение скорости бурения за счет снижения потерь мощности на трение и поддержание необходимого температурного баланса на забое скважины, способствующего более эффективному удалению продуктов разрушения.
В; условиях многолетнемерзлых пород выбор и обоснование рациональной области применения бурового инструмента должны производиться: по критерию минимальной энергоемкости процесса разрушения:при поддержании температурного баланса в, призабойной зоне и затрубном; пространстве, обеспечивающего эффективный; вынос буровой- мелочи. Критерием совершенства принятого способа разрушения пород на забое скважины служит гранулометрический состав буровой мелочи.
Новая:технология бурения- скважин в сложноструктурных мерзлых массивах с использованием специального породоразрушающего инструмента, охладителей воздуха и систем принудительной смазки опор долот обеспечивает решение проблемы повышения эффективности ведения буровзрывных работ на предприятиях Севера: Разработанный паспорт новой технологии бурения является основным руководящим документом при подготовке скважин^ в условиях мерзлых пород.
Обоснованность и- достоверность научных положений, выводов: и і рекомендаций обеспечены; комплексным подходом к проведению исследований, включающим в себя= теоретические изыскания; лабораторные эксперименты^ широкую промышленную апробацию технических решений; применением методов математического анализа; рациональным планированием ^ экспериментов; современными методами,обработки; информации с использованием теории случайных функций; удовлетворительной^ сходимостью; результатов исследований- (погрешность до 20.%); положительными: результатами опытно-промышленной эксплуатации разработанных конструкций нового бурового инструмента:Технические рекомендации и разработки диссертации подтверждены результатами широких промышленных экспериментов,
8 проведенных в условиях основных горных предприятий Сибири, Северо-Востока страны и-Якутии.
Научная новизна результатов исследований:
выявлены особенности разрушения мерзлых, сложноструктурных пород режущим и комбинированным: инструментом, а.также условия эффективного удаления^ буровой мелочи из призабойной зоны и затрубного пространства;.
установлены принципы выбора: рациональных л іараметро в. режущих буровых долот и типа.резцов, обеспечивающих: существенное снижение: энергозатрат и повышение эффективности разрушения мерзлых пород;
дано обоснование механизма разрушения забояг комбинированными, долотами режуще-шарошечного типа и математическое описание динамики4 процесса, происходящего наг забое= скважиньг при разрушении перемежающихся по крепости пород;
обоснованы условия автоматического выбора способа разрушения забоя комбинированным режуще-шарошечным инструментом в зависимости от крепости массива и динамики процесса разрушения;
разработана математическая модель динамической системы комбинированного долота, позволяющая^производить выбор его параметров с учетом обеспечения благоприятных динамическихрежимов;
научно обоснована; целесообразность применения специальных лубрикаторов, обеспечивающих автоматическую смазку опор долот и поддержание необходимого температурного баланса в призабойном пространстве;
- обоснованы: принципы, и критерии- выбора эффективных исполни
тельных, органов буровых:машин:в зависимости от состояния разрабатывае
мого массивамерзлых пород; подтверждено,.что гранулометрический состав
буровой мелочи, образующийся при разрушении породы на забое, наиболее:
полно характеризует эффективность процесса бурения.
Практическое значение результатов работы заключается в разработке:
- гипоразмерного ряда режущих долот, РД, работающих по принципу
скола породы, способствующему повышению эффективности И: снижению
энергоемкости процесса разрушения мерзлых пород, сохранности кристаллов^
алмазов;
- режуще-шарошечных долот типа РІ1ІД, работающих в режиме авто
матического выбора схемы обработки забоя в зависимости от состояния пе
ремежающегося по крепости массива пород;
лубрикаторов для автоматической смазки опор шарошечных и комбинированных долот, обеспечивающих повышение стойкости бурового инструмента и содействующих поддержанию температурного баланса на забое скважины;
специальных устройств охлаждения воздуха в призабойном и затруб-ном пространстве, способствующих эффективному удалению буровой мелочи при разрушении мерзлых пород;
новой технологии бурения взрывных скважин в условиях перемежающихся по крепости массивов мерзлых пород, основанной на применении рационального типа бурового инструмента, поддержании требуемого температурного баланса на забое скважины, снижения потерь на трение в шарошечных опорах долот и дополнительного охлаждения за счет систем автоматической смазки.
Реализация результатов работы:
разработаны, изготовлены, испытаны и внедрены на карьерах угольных, россыпных, и-алмазорудных месторождений режущие, комбинированные режуще-шарошечные долота, буровые режущие элементы нового типа, устройства принудительной смазки опор комбинированных и шарошечных долот, системы охлаждения продувочного агента скважины;
организовано промышленное производство режущих долот для бурения скважин с продувкой;
апробирована программа трехмерного компьютерного проектирования бурового инструмента «IGraft Desiner», используемая при курсовом и дипломном проектировании студентами горных специальностей;
- разработана и утверждена инженерная методика бурения взрывных
скважин на алмазорудных карьерах Якутии.
Разработанные исполнительные органы буровых станков нового технического уровня применяются при бурении мерзлых сложноструктурных породных массивов и перемежающихся по крепости горных пород. Использование их в соответствующих условиях позволяет увеличить производительность станков на 20—30 %.
Режущие долота типа РД прошли широкие промышленные испытания в условиях предприятий.ОАО«Востсибуголь», ЛК «Алроса», ОАО «Северо-востокзолото» и др. По результатам испытаний налажен серийный выпуск долот. Разработан типоразмерный ряд режущих долот типа РД:_
Режуще-шарошечные долота типа РШД;доказали свою работоспособность в условиях перемежающихся по крепости пород, обеспечивая: существенные технические преимущества по сравнению с серийными шарошечными долотами.
Разработаны^ и утверждены Технические задания на создание комбинированного режуще-шарошечного и режущего долот, устройства для автоматической смазки опор шарошечных долот и специального режущего элемента для буровых долот.
Новая технология подготовки взрывных скважин, основанная: на использовании специальных типов исполнительных органов буровых машин и поддержании требуемого температурного баланса: в призабойном пространстве, успешно применяется:в условиях,промышленных предприятий, работающих в регионах холодного климата.
За период проведения промышленных экспериментов на горных предприятиях Севера страны пробурено более 200 тыс: метров скважин. Результаты эффективности выполненных исследований1 и технических разработок подтверждены актами промышленных и межведомственных испытаний.
Апробация работы: Основные положения диссертации докладывались на: научно-практической конференции «Комплексное экономическое и социальное развитие Магаданской области в ближайшей и долгосрочной перспективе» (г.Магадан, 1980 г.); Всесоюзном совещании по открытым горным работам {г.Челябинск, 1982 г.);~ научном семинаре «Механизация и автоматизация^ горных работ» (г.Новочеркасск, 1983 г.); ежегодных научно-технических конференциях Иркутского государственного технического университета (г.Иркутск, ИПИ^ 1984-2004 гг.); Всесоюзной научной конференции «Комплексные исследования физических свойств1 горных пород и процессов» (г.Москва, МГИ;. 1984 г.); Всесоюзной научно-технической; конференции по буровзрывным работам «Комплексная механизация: ведения буровзрывных работ на горных предприятиях» (г.Красноярск, 1984 г.); тематических научно-технических конференциях по механизации горных работ
1! ([.Новочеркасск, 1983, 1988, 1999 гг.); конференциях: « Горная техника на пороге XXI века», (г.Москва, МГГУ, 1996 г.);.«Перспективы развития горнодобывающей промышленности» (г.Новосибирск, 1995 г.); «Проблемные вопросы регионального освоения минерально-сырьевых ресурсов Сибири» (г.Иркутск, 1995 г.); День горняка- МГГУ (г.Москва, 1999, 2000 гг.); ежегодных научных конференциях, посвященных памяти А.Л.Игоптина (г.Иркутск, 2000 - 2004 гг.); научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы развития механизации и электрификации горного и нефтегазового производства» (г.Санкт-Петербург, 2004 г.).
Публикации-По теме диссертации опубликовано 36 работ, в том числе 2 монографии; получено 4 авторских свидетельства и патент.
Личный вклад автора. Научные обоснования и основные технические решения, положенные в основу диссертации; разработаны: лично автором; который принимал непосредственное.участие и являлся;одним из основных организаторов их широко й-промышленной? реализации на предприятиях Севера. Ос но вн ая часть технических решений защищена авторски м и с ви детел ь-ствами и патентом; Непосредственно автором поставлена цель диссертационной работы, разработана концепция ее достижения, обеспечена реализация всех этапов выполнения: исследований и- технических разработок. На всех этапах работы теоретические исследования и' основные идеи технических разработок обоснованы лично автором: С его непосредственным участием; проводилась - широкая промышленная реализация результатов технических исследований^и разработок.-
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения; 7 глав, заключения, содержит 390 страниц текста, 48 таблиц; 90 рисунков и отдельного тома приложений на 147 страницах. Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам: кафедры горных машин и рудничного транспорта Иркутского государственного технического университета за непосредственную помощь в проведении сложных промышленных экспериментов. Особая признательность в адрес {проф. ПеретолчинаВ.А, заложившего основы данного на-
учного направления кафедры. Выполнение работы было бы невозможно без постоянной^ поддержки и содействия работников промышленных предприятий, способствующих широкой реализации результатов исследований.
Исследования по транспортированию буровой мелочи из скважины воздухом
Задача совершенствования технологии очистки скважин в мерзлых породах сводится к нормализации теплового режима скважины, позволяющей сохранить первоначальное агрегатное состояние иризабойной зоны и буровой мелочи.
Анализ свойств пород, опыта бурения скважин и причин нарушений режимов очистки позволяет определить основные направления повышения эффективности бурения скважин в многолетнемерзлых породах: - стабилизация температурного режима скважины. Основная причина нарушений режима очистки скважин заключается в растеплении буровой мелочи-за счет тепла, образующегося на забое скважины. Необходима нейтрализация этого тепла; - приведение тина и параметров бурового инструмента в соответствие со свойствами буримых пород. Опыт ведения буровых работ на алмазоруд-ных карьерах свидетельствует о том, что основой правильного выбора типа породоразрушающего инструмента является учет физико-механических свойств пород, условий залегания, чередования пород с различными свойствами, влажностью и температурой. От данных факторов.во многом зависят скорость проходки, износ инструмента, энергозатраты на разрушение забоя скважины и выдачу продуктов разрушения, надежность работы бурового инструмента и станка в целом; - приведение технических параметров буровых станков в соответствие с суровыми климатическими и специфическими технологическими условия ми бурения, в том числе, включением в конструкцию станка специальных " устройств для повышения стойкости опор долот и стабилизации температур ного режима бурения; - отработка режимов бурения. К режимным факторам, влияющим на эффективность бурения, относятся усилие подачи, частота вращения бурово го става и параметры воздушного потока. Рациональные режимы бурения должны быть обоснованы промышленными и лабораторными экспериментами с определением динамических характеристик работы бурового инструмента. Под температурным режимом подразумевается характер изменения в процессе бурения температуры стенок скважины, продувочного воздуха, ин струмента и продуктов разрушения. Изменение температурного режима про исходит, в основном, под действием двух факторов - тепла, вносимого в скважину продувочным воздухом, и тепла, выделяемого при работе породо разрушающего инструмента. При бурении в многолетнемерзлых породах влияние этих факторов вызывает ряд осложнений, основное из которых — на липание буровой мелочи на штанги и стенки скважины, что приводит к на рушению режима продувки, и, в конечном итоге, прекращению процесса бурения. Смысл нормализации температурного режима скважины в таких уеловиях заключается в том, чтобы ни на одном из ее участков не происходило протаивания, то есть температура не повышалась выше 0 С. Проводимые исследования по изучение температурного режима скважин можно разделить на следующие группы: 1) изучение температурного режима скважин, буримых в многолетне-мерзлых породах. Описание наблюдаемых явлений, их анализ и расчет. Практические рекомендации по борьбе с возможными осложнениями; 2) изучение температурного режима глубоких скважин, буримых в породах с положительной температурой; 3) применение средств охлаждения в процессе бурения; 4) изучение температурного режима породоразрушающего инструмента. Начало изучению температурного режима скважин, буримых в мерзлых породах с продувкой, было положено в конце 50-х - начале 60 гг. В это время были опубликованы работы А. В; Марамзина, Л.Л.Рязанова, Л. И. Кирсанова, И. П. Елманова [119]. В 70-80 гг. этому вопросы посвятили свои работы И. М. Кутасов, A. П. Щербань, Г. С. Грязное, А. С. Бронзов [111, 239]. В 90 г. широкие исследования были проведены учеными С.-Петербургского государственного горного института Б, Б. Кудряшовым, Л. И. Кирсановым, B. К. Чистяковым, В. С. Литвиненко, В: Т. Седовым [ 106, 107, 110,209] За рубежом (в США и Канаде) исследования по бурению мерзлых пород ведутся научным цен тром но теоретическим и инженерным исследованиям и освещены в работах Г. Ланге, М. Ю. Хворелея и Т. В. Куда. В ряде работ рассмотрены некоторые вопросы бурения взрывных скважин в мерзлых породах [39, 59, 60, 198]. Работы [39, 60, 112, 119] основаны на практическом опыте бурения мерзлых пород. Здесь приводятся выводы и рекомендации, вытекающие из экспериментальных, производственных и лабораторных данных. В работах [60, 112, 119] анализируются осложнения, связанные с протаиванием стенок скважин. Рассматриваются конструкции различных влагоотделителей с целью осушения воздуха, поступающего на продувку. Предлагается охлаждать воздух, поступающий на продувку, R трубе длиной до 150 м за счет теплообмена с атмосферным воздухом. Работы [111, 232, 239] имеют теоретический характер. В этих работах рассматриваются: а) нестационарный теплообмен между горным массивом и промывочной жидкостью; б) теоретические основы расчета температуры воздушной струи при; продувке скважины; в) температурное поле рабочей-части бурильного инструмента; г) способы.регулирования теплового режима в глубоких скважинах и:другие вопросы. Полученные аналитические формулы весьма сложным неудобны для практических расчетов. В:нсследованиях [227, 228] приводятся;сугубо-прикладные:результаты, построенные: в целях облегчениярасчетов на эмпирических и полуэмпирических зависимостях или: крайне упрощенных аналитических представлениях.
Изучению температурного режима: глубоких скважин, буримых в породах с положительной температурой, посвящены работы Б; И. Есьмана, М. С. Кулиева, И. Л. Чарного, В: П. Черняка, Ф.Н. Фоменко,. В..Ф. Роджерса [220, 227, 232]:.
Наиболее: простыми: и достаточно полными; по учету определяющих факторов являются иссд едованияї температур ного; режима; скважины, проведенные G.-Пєтєрбургским государственным, горным институтом: Основываясь на применении.коэффициента нестационарного теплообмена, рассмотрено взаимодействие нисходящего- и восходящего потоков: циркулирующей промывочной среды с окружающими скважину мерзлыми, породами; В результате теоретических. выкладок г предложена: зависимость = для определения максимально допустимой температуры с целью нормализациитемпературно-го режима скважины [106 - 109];
Оценка энергоемкости процесса разрушения породы по гранулометрическому составу буровой мелочи
Точность выполняемых расчетов во многом зависит от правильного определения критической скорости движения воздуха. Однако из-за отсутствия надежных расчетных зависимостей авторы вынуждены пользоваться для определения VRP приближенными зависимостями, пригодными для расчетов только в ограниченном диапазоне изменения чисел Реинольдса. Нет единого мнения и о том, какую по размерам частиц буровой мелочи принимать за расчетную. Все это снижает достоверность расчетов по данным методикам.
Недостаточно обоснованно производится выбор величины избыточной скорости воздухаУтк- По рекомендации Б. Б. Кудряшова [107] обычно принимают V}l3i; = 0,2Укг, т. е. ставят ее в зависимость от размеров расчетной частицы. В результате получается, что при одной и той же интенсивности образования, но уменьшении крупности буровой мелочи, скорость ее транспортирования должна уменьшаться. Такое положение нельзя признать рациональным.
Предложенные методы расчета расхода воздуха ограничиваются рассмотрением транспортирования буровой мелочи по затрубному пространству и не касаются удаления ее из призабойной зоны. В то же время, вопрос очистки призабойной зоны является не менее важным и по сравнению с затруб-ным пространством специфичным, поскольку здесь имеет место другой режим движения буровой мелочи - трогания и разгона.
Энергоемкость процесса транспортирования буровой мелочи зависит от интенсивности ее образования и гранулометрического состава. С ростом скорости бурения и крупности частиц растет энергоемкость транспортирования. Однако этот фактор при расчетах не учитывается, поскольку расход определяется по скорости воздуха V, необходимой для транспортирования частицы расчетного диаметра. Полученный таким образом расход воздуха не увязан с интенсивностью образования буровой мелочи и при повышенных скоростях бурения энергии воздушного потока может оказаться просто недостаточно для удаления всего объема образующейся буровой мелочи.
Применительно к бурению взрывных скважин шарошечными долотами процесс пневмотранспортирования буровой мелочи исследовался Б. И. Кутузовым. В отличие от вышеприведенных методов расчета он разбил весь путь движения буровой мелочи на три зоны - зону забоя, долота и за-трубного пространства. Однако, рассматривая движение буровой мелочи в зоне забоя и долота, он не учитывает интенсивности образования буровой мелочи и исходит из равномерного движения частиц, хотя фактически имеет место режим трогания и разгона;.
Мри расчеге расхода воздуха на транспортирование буровой мелочи по затруоному пространству Б. Н. Кутузов учитывает интенсивность образования; буровой мелочи ив качестве критерия уровня концентрации буровой мелочи в потоке, принимает коэффициент расходной» массовой концентрации: /W.v = (Ju РЯ РНУ исходя из того, чтоцгмх должно быть.меньше предельного значениям /лш.и - 2,5 — 3; Следует отметить, что принятый критерий концен трации буровой мелочи не является! достаточно совершенным. Расходная: концентрациям определяется из условия; что частицы в потоке7движутся со скоростью воздуха Уц, хотя скорость частицы Уч - VB— P y.-Поэтому расходная конце нтрация всегда меньше действительной: чем крупнее буровая І мелочь и выше: критические скорости, тем меньше скорость частиц Vt( и больше разница между расходной и действительной? концентрациями. Кроме того, расходная концентрация не учитывает гранулометрический состав буровой мелочи..При одной и той; же расходной концентрации действительная; концентрагшя имеет разные значения в зависимости от распределения буровой мелочи по крупности. Поэтому принятое fturri = 2,5 — 3 справедливо только для конкретных уело вий эксперимента. Объективной: характеристикой: потока буровой мелочи; является действительная; объемная; концентрация S-VsljVn , где Fw — объем образующейся буровой мелочи; К# —объем потока, который буровая мелочь занимает.
Из рассмотрения применяемых методов расчетам расходу воздуха на: продувку скважин видно; что они имеют серьезные недостатки. Плавный из них состоит в том, что при расчете:не учитывается-интенсивность образования буровой мелочи tv ее гранулометрический; состав, которые, оказывают решающее: влияние на энергоемкость - процесса транспортирования; В; А. Перетолчиным [151] разработан метод расчета расхода воздуха на продувку скважины, основанный, на энергетическом; балансе, т. е: на; соответствии энергии воздушного потока той энергии; которая необходима для эффективного удаления образующейся буровой мелочи. В соответствии с наличием; двух режимов движения буровой мелочи — режима трогания и разгона и; режима установившегося; равномерного движения, методикой: предусматривается сравнение: расходов на очистку призабойной зоны и на транспортирование буровой мелочи по затруоному пространству. Данный метод расчета рас 48 хода воздуха является наиболее совершенным и принимается нами в дальнейшем для использования при решении инженерных задач.
Потери давления воздуха в пневмотранспортной системе станка зависят от расхода и аэродинамических сопротивлений на пути движения от компрессора до устья скважины. Они= складываются, из; потерь в магистрали и: буровом ставе станка; в долоте и скважине и определяют необходимую величину давления для обеспечения подачи заданного количества воздуха.
В; существующих методах расчета- оценке: потерь давления s воздуха не уделяется должного вниманиями выборнеобходимого давл ения І производится недостаточно обоснованно; Не рассматривается; например, вопрос о поте-рях давления в дол оте. ..Такими, потерями пренебрегают или-принимают их весьма ориентировочно. Большинство авторов не учитывает влияния буровой мелочи на сопротивления движению;воздуха по затру бному пространству.
Б. Ы: Кутузов І при расчете потерь давления \ воздуха: в скважине не учитывает давления от веса; столба бурового потока и; потери на транспортирование буровой мелочи но затру бному пространству. Такое упрощение допустимо только при:небольшои глубинехкважин:и низкой интенсивности образования буровой мелочи. Сопротивление буровой мелочи движению воздуха по затрубному пространству он; учитывает через расходную массовую концентрацию -//„:,л., определяя:коэффициент аэродинамических сопротивлений сме сикак Л(Л! --л(1.+ _(.г); где Я - коэффициентаэродинамических сопротивлений применительно: к воздуху. Как отмечалось выше; /лки v является: несовершенным критерием;, оценкш концентрации;, поскольку не отражает действительной концентрации буровой;мелочи:в потоке. Кроме того, на аэродинамические сопротивления движению -г воздуха вл и ян и е о казывает не масса частиц;. а их объем в потоке..
Принципы комбинированного воздействия на забой режу ще-шарошечного долота
При лабораторных исследованиях производилась непрерывная фиксация факторов, участвующих в эксперименте, в функции времени: частоты вращении долота, усилия подачи на забой, относительного смещения коронки, ускорения корпуса долота. При этом использовалась тензоизмерительная станция самоходной тензоизмерительной лаборатории СТИЛ-НАТН с усилителем; 8АНЧ-7М, комплект виброизмерительной: аппаратуры; ВИ6-5МАД и самопишущий шлейфовый осциллограф HI 15: В качестве: носителя информации в осциллографе: используется самопроявлятощаяся; светочувствительная фотобумага УФ-67. Схема подключения аппаратуры показана на рис. 211.
Регистрация: частоты вращения долота производится по сигналу тахогенератора TF типа ТМГ-30, который подается через ячейку тахокапала ТхК тензостанции СТИЛ-НАТИ непосредственно на пульт управления; с которого сигнал поступает на гальванометр:М-1200 осциллографа. В-зависимости от частоты вращения электродвигателя вращателя меняется ЭДС, вырабатываемая тахогенератором, ТГ и, соответственно, отклонение луча гальванометра на светочувствительной ленте осциллографа. Питание усилителя? 8АНИ-7М и пульта управления; ПУ постоянным током напряжением 27 В осуществляется от выпрямителя! BGA-10 блока,питания БП-І тензостанции. Питание осциллографа осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В і через блок питания П-133: (БП-2). В изуально; частота вращения пл контролируется по величине отклонения стрелка миллиамперметра Н320-5, установленного на контрольном щите, подключенного к тахогенератору-и отградуированного в с" где ил-- напряжение на выходе тахогенератора, В;Ящ — внутреннее сопротивление прибора, Ом; RP - регулировочное сопротивление,,Ом; / - передаточное число редуктора вращателя; Kt— масштабный коэффициент, характеризующий отношение максимальной частоты:вращения долота к максимальному отклонению луча гальванометра осциллографа Чувствительность канала выбрана таким образом І что одному мм смещения луча гальванометра на; осциллограмме соответствует 0,3 с" частоты вращения долота.
Регистрация усилия подачи инструмента. на забой осуществляется по осниллографической; записи давления масла в напорной магистрали гидросистемы. От тензо метрического датчика давления ТДД (см. рис. 2.1) сигнал подается на ячейку те изо канал а Тз К, затем через усилитель - на пульт управления ПУ тензостанциц и далее, на гальванометр осциллографа. Отклонение луча гальванометра отградуировано согласно тарировочному графику зависимости усилия подачи на забой от давления масла в гидросистеме. Визуально давление масла в напорной магистрали контролируется по манометру ОБМГн 1-160, установленному на пульте управления буровым стендом. Выбор масштаба записи производится с помощью магазинов сопротивлений и шунтов, подсоединяемых к пульту управления; При этом одному мм смещения луча гальванометра соответствует усилие на забой 113 кН.
Запись динамических характеристик работы породоразрушающих органов комбинированного режуще-шарошечного долота осуществлялась с использованием комплекта виброизмерительной аппаратуры ВИ6-5МАД. С целью предотвращения влияния на запись сигнала промышленной частоты переменного тока блок питания БП-3 виброизмерительной аппаратуры подключен к 6 кислотным аккумуляторам 6СТЭ-128, которые при параллельно-последовательном соединении обеспечивают общее напряжение 24 В;
Для регистрации величины смещения коронки относительно корпуса долота в процессе бурения использовался датчик перемещений ДП-3. Тип и параметры датчика выбираются исходя из предполагаемых величин смещения режущего органа. В отличие от датчиков вибрации и ускорения датчик перемещений не имеет собственной частоты чувствительных элементов, поэтому его характеристика определяется характеристикой фильтров аппаратуры и шлейфов осциллографа. Тип датчика перемещений выбираем в соответствии с А = рш ps -S,, где А - амплитуда записи на осциллограмме, мм; рш
- чувствительность гальванометра данного канала, мА/мм:./ - чувствительность датчика перемещения, мм/мА; 5f - амплитуда смещения, мм. Датчик ДП-3 (см. рис. 2.1) через специальный разъем, располагающийся внутри штанги, связан с токосъёмными кольцами ТС. Щетки токосъемных колец соединены с генератором Г несущей частоты, виброизмерительной аппаратуры. Сигнал, подаваемый от. датчика на генератор, пропорционален величине смещений коронки. В качестве регистратора в осциллографе использовался гальванометр N4014-1200, параметры и тип которого выбирались в соответствие с параметрами датчика ДП-3. Тарировка датчика производилась замером смещения луча гальванометра при изменении вылета сердечника, замеряемо 76 го микрометром. Смещение сердечника на I мм соответствует 9 мм перемещения луча на осциллограмме.
В качестве регистратора динамической нагрузки на корпусе долота принимаем датчик ускорений, исходя из следующих предпосылок: а) датчик перемещений невозможно использовать из-за подвижности долота относительно блока породы; б) датчик вибрации типа ДВ использовать нельзя, поскольку собственная частота его 5 — 9 Гц, т.е..в пределах предполагаемой измеряемой частоты, что приведет к появлению резонансной области и погрешностям в измерениях; в) величина ускорения непосредственно характеризует динамическую нагруженность инструмента. Чувствительность и тип датчика ускорений и гальванометра принимаем, исходя из допустимой амплитуды колебаний осциллограммы. Известно, что амплитуда А записи ускорения A = wАршрд, где vv„ - амплитуда ускорения, ё;.рш - чувствительность гальванометра, м/мА; рг чувствительность датчика ускорения; мА/g. Произведя предварительную оценку возможного значения, подбираем параметры рш и рг1 таким образом, чтобы размах осциллограммы находился в пределах ленты осциллографа. Для измерения ускорений выбран датчик ДУ-5С, который закреплен на траверсе механизма подачи бурового стенда и подключен через генератор Г несущей частоты виброизмерительной аппаратуры к гальванометру М-017-400 осциллографа (см. рис. 2.1). Принятая схема и методика измерений обеспечивает одновременную регистрацию независимых переменных исследуемых процессов в функции времени.
Лабораторные исследования теплообменных процессов в призабойной зоне
После нахождения среднего значения АТу можно отыскать любое значение SK при комбинации условий Я,;, п, N,f, которые-не.рассматривались в-таблице: Для полученной эмпирической формулы Ks является нормирующим коэффициентом.
Метод математического планирования экспериментов позволяет значительно сократить количество опытов по сравнению с классическимитшанами и повысить точность результата, поскольку для? полученияL зависимости от одной из переменных используется5вся совокупность данных;
Экспериментальные исследования динамики комбинированного долота и. отдельных его элементов сопровождались записью на фотобумагу непрерывных зависимостей; различных характеристик исследуемого процесса во времени. Наличие многих неконтролируемых факторов, изменяющихся произвол ьным образом от одного эксперимента: к другому и даже на протяжении одного эксперимента, (неоднородность породы, наличие: включений различных по твердости, величине и ориентации, силы трения, собственные колебания элементов: конструкции: и др.) приводит к необходимости использования статистических методов;для извлечения достоверной информации о статистических и динамических закономерностях объекта исследования [20; 2 Г, 231.
Динамические характеристики процесса разрушения породы = буровым инструментом: являются стационарными: случайными функциями времени [161]. Основными статистическими характеристиками; содержащими?информацию о динамике процесса, являются математическое ожидание т/, дисперсия ,.корреляционная функция К,(т)к функция спектральной плотности S,((: ). При этом ЯД г) определяет степень влиянияслучайных и детерминированных составляющих, а: .V,(о)показывает спектр частот,.преобладающих в процессе..
Экспериментальные кривые случайного процесса невозможно описать математич ески, т. к. значения их в различные моменты времени являются величинами случайными. Корреляционная функция #,(г), показывающая связь. между значениями исследуемого процесса в различные моменты времени; является = величиной неслучайной; и аппроксимируется аналитическим і выражением. По ее виду и характеру аппроксимируемой кривой /?,(г) можно судить о внутренней структуре процесса. Аппроксимирующее выражение используется также -для решения прикладных задач.
Функция спектральной плотности пропорциональна мощности колебаний процесса на детерминированных частотах. Она показывает спектр частот (колебаний корпуса долота - по записи его ускорения, или колебаний коронки - по реализации ее смещения) обладающих наибольшей; энергией. Амплитуда функции спектральной плотности (амплитуда спектра) определяет долю энергии колебаний, приходящуюся на соответствующую частоту. Здесь под амллитудным спектром будем понимать значение функции S, {о), соответствующее гармонической составляющей Л,(г).
Следствием влияния случайных факторов является засорение полезной информации высокочастотными:шумами,.амплитуда которых может значительно превосходить уровень искомого сигнала. При этом-резко возрастают, ошибки при отсчете ординат экспериментальных записей при снятии: этих ординат с равномерным шагом. Необходимость использования равномерного шага отчета вызвана тем, что для;вычисления\Rt (г) по стандартным алгоритмам требуется таблица данных с равномерным шагом по времени: В; этом случае можно существенно повысить, точность, снимая ординаты кривой только-в.точках относительного максимума.или минимума..Однако в этом случае возникает сложность в: вычислении: корреляционной функции, поскольку полученная таблица значений ординат будет иметь неравномерный шаг по аргументу. Поэтому определяется; корреляционная функция через предварительно найденную функцию спектральной плотности [19]; При этом расчет статистических характеристик ведется на ЭВМ в следующем порядке (Рис. 23).
Определен и е таблицы x(g,S) значений орд и нат у скорения; корпуса; долота и смещения режущего органа, снятых B,JV характерных точках..Характерными точками= являются относительные максимумы и,минимумы (пики) кривой для ускорения и соответствующие им ординаты;относительного смещения режущего органа: Соответственно этим точкам- заполняется столбец абсцисс точек отсчета, представляющих собой время отсчета для соответствующих ординат.
Вычисление текущего спектра процесса Fg{jo v)производится приближенным интегрированием кривой методом трапеций, который; обладает большей точностью по сравнению с известным методом Симпсона [197]. Найденные функции спектральных плотностей сохраняются в памяти машины для последующего счета:корреляционных функций и представляют самостоятельный интерес как частотные характеристики исследуемых процессов,. Они могут быть использованы для вычисления передаточных функций и амплитудно-фазовых характеристик отдельных узлов испытываемого механизма, заключенных между различными точками расположения датчиков.
Используя предложенный метод, был разработан алгоритм статистической обработки результатов экспериментальных исследований процесса бурения комбинированным режуще-шарошечным долотом [19, 23]. Программа расчета предполагает следующую входную.информацию: М- число одно временно записанных функций плюс единица;. Лг- число точек отсчета (одинаковое для всех записанных функций); DIV - шаг по частоте tov для расчета функций спектральной плотности; DTA - шаг по времени г для расчета корреляционной функции; /V, - число точек расчета функции спектральной плотности; Лг2 - число точек расчета корреляционной функции. Кроме этих данных задается двумерный массив X(N,M) абсцисс и ординат осциллограмм функций, подлежащих обработке. Первый столбец массива X(N,M) составляют моменты времени /,, соответствующие значениям ординат функций, расположенных в последующих столбцах массива. Такая организация входных данных позволяет производить обработку таблиц значений ординат с неравномерным шагом (снятым по характерным точкам).
